DE10123930A1

DE10123930A1 - Leistungsregelung eines 2-Zyklen-Motors mit ineinander laufenden Kolben

Info

Publication number: DE10123930A1
Application number: DE2001123930
Authority: DE
Inventors: Andreas Gimsa
Original assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Current assignee: Enerlyt Potsdam GmbH Energie Umwelt Planung und Analytik
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2003-02-13

Abstract

Die Erfindung beschreibt die Leistungsregelung über die gegenläufigen Drücke der beiden Prozesse eines 2-Zyklen-Stirling-Motors mit ineinander laufenden Kolben.

Description

Mit verschiedenen Regelungskonzepten wurde bisher versucht die Leistungsregelung von Stirling-Motoren zu realisieren.
Eine Leistungsregelung über die Wärmezufuhr ist wegen der speicherwirksamen Massen außerordentlich träge und für viele Anwendungsfälle unzureichend.
Sofern ein Stirling-Motor mit 2 Zyklen arbeitet, die mit 180° Phasenversatz laufen, bietet sich ein neuartiges Regelungskonzept an, das Gegenstand dieser Patentanmeldung ist.
Dieses Regelungskonzept läßt sich gemäß Abb. 1 sehr vorteilhaft auf Stirling-Motoren mit 2 Zyklen und ineinander laufenden Kolben anwenden, wie sie die Patentanmeldung 10065808 beschreibt.
Voraussetzung für die Umsetzung dieses Regelungskonzeptes bei der Verwendung eines Kurbeltriebes und keiner separaten Druckbehälter ist die druckdichte Durchführung aller Kolbenstangen durch die Zylinderwand zum Kurbelgehäuse.
Sofern beide vorhandenen Motor-Zyklen mittels Stellorgan pneumatisch kurz geschlossen werden, ist der Differenzdruck über allen Kolben gleich Null und die Kolben kommen zum Stillstand oder verringern ihre Geschwindigkeit.
Wenn einer der beiden Zyklen mittels Rückschlagklappe mit einem druckdichten Behälter hohen Druckes in Durchlaßrichtung zum Behälter verbunden wird, herrscht im Behälter immer der höchste Druck dieses Zyklusses. Wenn der andere Zyklus mittels Rückschlagklappe mit einem druckdichten Behälter des Motor-Ruhedruckes in Sperrichtung zum Behälter verbunden wird, herrscht im Behälter immer der niedrigste Druck (Ruhedruck) dieses Zyklusses.
Um den Motor nach erfolgtem Kurzschluß beider Zyklen wieder hochfahren zu können, muß das Kurzschlußstellorgan geschlossen werden.
Mittels Verbindung des Druckniveaus eines Zyklusses über ein Stellorgan zum Behälter hohen Druckes, läßt sich beim Öffnen dieses Stellorganes das Druckniveau des Zyklusses auf das Behälterdruckniveau anheben.
Mittels Verbindung des Druckniveaus des zweiten Zyklusses über ein Stellorgan zum Behälter des Motor-Ruhedruckes, läßt sich beim Öffnen dieses Stellorganes das Druckniveau des Zyklusses auf das Behälterdruckniveau absenken.
Damit ist der Differenzdruck über allen Kolben wieder vorhanden, der Motor läuft an oder erhöht seine Drehzahl.
Die beschriebenen Aufgaben dieser Leistungsregelung lassen sich wie folgt realisieren:
Die beiden Druckbehälter eines 2-Zyklen-Motors werden durch das Kurbelgehäuse gebildet (siehe Abb. 1). Das ist eine sehr vorteilhafte Anordnung, weil das jeweilige Druckniveau in den Behältern 1 und 2 sowohl auf der heißen als auch auf der kalten Motorseite Abdichtfunktionen der Kolbenstangen übernimmt. Es müssen zusätzlich keine aufwendigen zwei Druckbehälter dem Motor zugeordnet werden. An der druckdichten Durchführung 16 der Kurbelwelle durch die Trennwand beider Druckbehälter läßt sich die Kurbelwelle zusätzlich lagern. Ebenfalls vorteilhaft ist die Durchführung 17 der Kurbelwelle zur Atmosphäre durch die Kurbelgehäusekammer 2 mit dem Motorruhedruckniveau. Zum atmosphärischen Druck ist von diesem Niveau die Druckdifferenz viel geringer als bspw. von der Hochdruck- Kurbelgehäusekammer 1.
Ein Leistungsregler erfaßt permanent die Drücke in den Druckkammern 11 und 12 sowie die Drücke beider Zyklen 13 und 14 im Zylinder. Zusätzlich wird die Temperatur des heißen Zylinders 15 oder die des heißen Arbeitsgases erfaßt.
Die Rückschlagklappe 6 sichert ab, daß in der Druckkammer 1 des Kurbelgehäuses der Motor-Höchstdruck herrscht, die Rückschlagklappe 7 sichert ab, daß in der Druckkammer 2 des Kurbelgehäuses kein höheren Druck als der Motor-Ruhedruck herrscht.
Abweichend von der Abb. 1 läßt sich die Rückschlagklappe von einem Druckbehälter mit einem Zyklus und die Rückschlagklappe vom anderen Druckbehälter mit dem anderen Zyklus verbinden. Durchlaß- und Sperrichtungen bleiben, wie beschrieben, erhalten.
Zum Absenken der Leistung werden vom Regler 3 beide Zyklen über das Stellorgan 8 kurzgeschlossen. Anschließend, parallel oder bereits vorher kann der Regler über die Stellorgane 18 und 19 den Brennstoffstrom und die Verbrennungsluftzufuhr drosseln. Für die Prüfung der Wirksamkeit dieser Maßnahme kann als Hilfsgröße mit dem Sensor 15 vom Regler die Temperatur erfaßt und verarbeitet werden.
Zum Hochfahren der Leistung wird das Stellorgan 8 geschlossen. In beiden Zyklen des Motors herrscht noch der gleiche Mitteldruck. Mittels Öffnen des Stellorganes 9 durch den Regler wird der höhere Druck der Druckkammer 1 des Kurbelgehäuses dem einen Zyklus zugeordnet und der niedrigere Druck der Druckkammer 2 über das Stellorgan 10 dem anderen gegenläufigen Zyklus. Der Motor beschleunigt und stabilisiert über die Rückschlagklappen 6 und 7 erneut die jeweiligen Drücke in den Druckkammern des Kurbelgehäuses. Anschließend, parallel oder bereits vorher kann der Regler über die Stellorgane 18 und 19 den Brennstoffstrom und die Verbrennungsluftzufuhr steigern.
Wegen der Temperaturbelastung der Armaturen ist es sinnvoll und möglich, bis auf den Meßsensor 15 alle beschriebenen Meß- und Stellglieder auf der kalten Motorseite einzubauen. Allerdings ließe sich prinzipiell auch die heiße Motorseite verwenden. Bezugszeichenliste 1 Druckdichte Hochdruckkammer des Kurbelgehäuses (z. B. 10 bar)
2 Druckdichte Ruhedruckkammer des Kurbelgehäuses (z. B. 3 bar)
3 Regler
4 Brenner
5 Kühler
6 Rückschlagklappe Zylinder zur Hochdruckkammer
7 Rückschlagklappe Ruhedruckkammer zum Zylinder
8 Kurzschlußventil beider Zyklen
9 Stellventil Hochdruck
10 Stellventil Ruhedruck
11 Meßsensor Hochdruck
12 Meßsensor Ruhedruck
13 Meßsensor Druck erster Zyklus
14 Meßsensor Druck zweiter Zyklus
15 Temperatur des heißen Zylinders
16 Druckdichtung und Kurbelwellenlager zwischen Hoch- und Ruhedruckkammer
17 Druckdichtung und Kurbelwellenlager zwischen Ruhedruckkammer und Atmosphäre
18 Stellventil Brennstoffstrom
19 Stellventil Brennerzuluft
20 Heißer Zylinder
21 Kalter Zylinder

Claims

1. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum jedes der beiden mit 180° Phasenversatz laufenden Zyklen mit jeweils einem Druckbehälter über eine Rückschlagklappe so verbunden ist, daß in einem Druckbehälter der Motormindestdruck (Sperrichtung) und in dem anderem Druckbehälter der Motorhöhstdruck (Durchlaßrichtung) herrscht.

2. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zyklen über ein Stellorgan miteinander in Verbindung stehen, dessen Öffnung einen Zyklenkurzschluß bewirkt und damit den Motor runterfährt und dessen Schließung eine Zyklentrennung bewirkt.

3. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils parallel mit den unter Anspruch 1 genannten Rückschlagklappen je ein Stellorgan angeschlossen ist, die damit genau wie die Rückschlagklappen je einen Gasraum mit je einem Druckbehälter verbinden und deren Öffnung bei geschlossenem Kurzschlußstellorgan (Anspruch 2) das Hochfahren des Motors aus dem Stillstand oder geringerer Frequenz bewirkt.

4. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse der Unterbringung einer oder beider Druckkammern für einen oder beide Zyklen dient.

5. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter als pneumatisch getrennte Kammern des Motor- Kurbelgehäuses ausgebildet sind.

6. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellorgane automatisch vom zentralen Regler gesteuert werden.

7. Leistungsregelung für einen 2-Zyklen-Motor mit doppelt wirkenden Kolben nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler die Motordrehzahl, die Zyklendrücke, die Brennstoffmenge, die Verbrennungsluftzufuhr und die Temperaturen mißt und regelt.